Biologie für Chemiker - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Zellmembran-Struktur und Funktion: Die Zellmembran besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht, bei der die hydrophilen Köpfe nach außen und die hydrophoben Schwänze nach innen gerichtet sind. Darüber hinaus enthält sie Proteine, die entweder als integrale oder als periphere Membranproteine vorkommen, sowie Kohlenhydrate wie Glykolipide und Glykoproteine. Die Hauptfunktionen der Zellmembran umfassen die Abgrenzung der Zelle, den selektiven Stofftransport und die Signaltransduktion. Der Molekültransport erfolgt durch Diffusion, Osmose und aktiven Transport. Das Fluid-Mosaik-Modell beschreibt die dynamische Struktur der Membran.

a)

Erkläre, wie die Phospholipid-Doppelschicht zur selektiven Permeabilität der Zellmembran beiträgt und beschreibe, welche Rolle die hydrophilen Köpfe und hydrophoben Schwänze dabei spielen.

Lösung:

• Phospholipid-Doppelschicht und selektive Permeabilität:Die Phospholipid-Doppelschicht ist wesentlich für die selektive Permeabilität der Zellmembran verantwortlich. Diese Permeabilität bestimmt, welche Moleküle und Ionen in die Zelle hinein- und aus ihr herausgelangen können.
• Hydrophile Köpfe:Die hydrophilen Köpfe bestehen aus einer Phosphatgruppe und weisen eine Affinität zu Wasser auf. Sie sind nach außen zur wässrigen Umgebung und nach innen zum Zytoplasma gerichtet. Diese Anordnung trägt dazu bei, dass die Zellmembran stabil bleibt und sich nicht auflöst, indem sie eine Barriere zwischen den wässrigen Innen- und Außenmilieus der Zelle bildet.
• Hydrophobe Schwänze:Die hydrophoben Schwänze bestehen aus Fettsäuremolekülen und sind nach innen zwischen den beiden Schichten der hydrophilen Köpfe gerichtet. Diese Schwänze weisen Wasser ab und verhindern, dass wasserlösliche Substanzen die Membran passieren, was zur selektiven Permeabilität beiträgt. Nur bestimmte kleine, unpolare Moleküle wie Sauerstoff oder Kohlendioxid können frei durch die hydrophobe Mitte der Membran diffundieren.
• Selektivität durch Proteine:Zusätzlich zur Phospholipid-Doppelschicht tragen Membranproteine zur selektiven Permeabilität bei. Integrale Proteine bilden Kanäle oder Transportproteine, die spezifische Moleküle passieren lassen, während periphere Proteine an der Zellmembranverankerung und Signalweiterleitung beteiligt sind.
• Zusammengefasst:Die hydrophilen Köpfe und hydrophoben Schwänze der Phospholipide schaffen eine Barriere, die durchlässig für einige Moleküle und undurchlässig für andere ist. Dadurch kann die Zelle ihre innere Umgebung regulieren und Stoffwechselprozesse kontrollieren.

b)

Diskutiere die Bedeutung von integralen und peripheren Proteinen in der Zellmembran. Wähle je ein Beispiel für ein integrales und ein peripheres Protein und beschreibe ihre spezifischen Funktionen.

Lösung:

• Bedeutung von integralen und peripheren Proteinen:Integrale und periphere Proteine spielen entscheidende Rollen bei der Funktion und Dynamik der Zellmembran. Sie sind für verschiedene Prozesse verantwortlich, die die Zellintegrität und die Kommunikation mit der Umgebung gewährleisten.
• Integrale Proteine:Integrale Proteine sind tief in die Phospholipid-Doppelschicht eingebettet und erstrecken sich meist durch die gesamte Membran. Diese Proteine sind oft an der Bildung von Kanälen oder Transportwegen beteiligt, die für den Stoffaustausch notwendig sind.Beispiel: Na⁺/K⁺-ATPase Die Na⁺/K⁺-ATPase ist eine Pumpe, die Natrium-Ionen aus der Zelle und Kalium-Ionen in die Zelle transportiert. Sie nutzt ATP, um die Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten zu bewegen. Diese Pumpe ist essentiell für die Aufrechterhaltung des Membranpotentials und die Regulation des Zellvolumens.
• Periphere Proteine:Periphere Proteine sind lose mit der Außenseite der Zellmembran verbunden oder auf der Innenseite ankern. Diese Proteine sind an der Signalübertragung und an der Stabilisierung der Zellstruktur beteiligt.Beispiel: Spektrin Spektrin ist ein peripheres Membranprotein, das auf der Innenseite der Membran vorkommt. Es bildet ein Netzwerk, das die Membran stabilisiert und die Zellform unterstützt. In roten Blutkörperchen ist Spektrin besonders wichtig, um die Flexibilität der Zellen zu bewahren, während sie durch enge Kapillaren wandern.
• Zusammengefasst:Integrale und periphere Proteine sind essentiell für die Funktion der Zellmembran. Integrale Proteine wie die Na⁺/K⁺-ATPase sind entscheidend für den selektiven Transport von Molekülen, während periphere Proteine wie Spektrin die Struktur und Signalübertragung innerhalb der Zelle unterstützen.

c)

Erläutere den Unterschied zwischen einfache Diffusion und aktivem Transport. In Deiner Antwort sollen mathematische Modelle wie der Nernst-Planck-Gleichung oder Michaelis-Menten-Gleichung verwendet werden, um die Mechanismen zu quantifizieren.

Lösung:

• Unterschied zwischen einfacher Diffusion und aktivem Transport: Einfache Diffusion und aktiver Transport sind zwei verschiedene Mechanismen, die den Molekültransport durch die Zellmembran regeln. Sie unterscheiden sich in ihren Prinzipien und den mathematischen Modellen, die zu ihrer Quantifizierung verwendet werden.
• Einfache Diffusion: Bei der einfachen Diffusion bewegen sich Moleküle entlang ihres Konzentrationsgradienten von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration. Dies ist ein passiver Prozess, der keine Energiezufuhr erfordert.Mathematisches Modell: Nernst-Planck-Gleichung Ein häufig verwendetes Modell zur Beschreibung der Diffusion von Ionen unter Berücksichtigung elektrischer Felder und Konzentrationsgradienten ist die Nernst-Planck-Gleichung:

  J_i = -D_i \left( \frac{dC_i}{dx} + \frac{z_i F C_i}{RT} \frac{d\varphi}{dx} \right)

  • J_i ist der Fluss des Ions i (mol/m²/s)
  • D_i ist die Diffusionskonstante des Ions i (m²/s)
  • dC_i/dx ist der Konzentrationsgradient des Ions i
  • z_i ist die Ladung des Ions i
  • F ist die Faraday-Konstante (C/mol)
  • R ist die universelle Gaskonstante (J/(mol·K))
  • T ist die Temperatur (K)
  • d\varphi/dx ist der elektrische Feldgradient
  Diese Gleichung bringt die Diffusion (Konzentrationsgradient) und die Migration von Ionen in einem elektrischen Feld zusammen.
• Aktiver Transport: Beim aktiven Transport werden Moleküle entgegen ihrem Konzentrationsgradienten durch die Zellmembran transportiert, was Energie kostet, die oft in Form von ATP bereitgestellt wird.Mathematisches Modell: Michaelis-Menten-Gleichung Die Transportgeschwindigkeit eines Substrats durch einen aktiven Transporter kann mit der Michaelis-Menten-Gleichung beschrieben werden:

  V = \frac{V_{\text{max}}[S]}{K_m + [S]}

  • V ist die Transportgeschwindigkeit
  • V_{\text{max}} ist die maximale Transportgeschwindigkeit
  • K_m ist die Michaelis-Menten-Konstante (die Substratkonzentration, bei der die Hälfte von V_{\text{max}} erreicht wird)
  • [S] ist die Substratkonzentration
  Diese Gleichung illustriert, dass die Transportgeschwindigkeit mit der Substratkonzentration ansteigt, bis die maximale Geschwindigkeit (V_{\text{max}}) erreicht ist.
• Zusammenfassung: Einfache Diffusion ist ein passiver, energieunabhängiger Prozess, der durch die Nernst-Planck-Gleichung quantifiziert werden kann, während aktiver Transport ein energieabhängiger Mechanismus ist, der mit der Michaelis-Menten-Gleichung beschrieben wird. Beide Mechanismen sind essentiell für die Aufrechterhaltung des Zellstoffwechsels und der Homöostase.

d)

Das Fluid-Mosaik-Modell beschreibt die Struktur der Zellmembran als dynamisch und flexibel. Beschreibe, welche experimentellen Befunde und Techniken zur Entwicklung dieses Modells beigetragen haben.

Lösung:

• Fluid-Mosaik-Modell: Das Fluid-Mosaik-Modell beschreibt die Zellmembran als eine dynamische und flexible Struktur, die aus einer flüssigen Lipiddoppelschicht besteht, in die Proteine und andere Moleküle eingebettet sind.
• Experimentelle Befunde und Techniken: Mehrere experimentelle Befunde und Techniken haben zur Entwicklung des Fluid-Mosaik-Modells beigetragen:
• 1. Elektronenmikroskopie: Die Elektronenmikroskopie lieferte hochaufgelöste Bilder der Zellmembran und zeigte die Doppelschichtstruktur der Membran. Sie enthüllte auch die in die Membran eingelagerten Proteine und ihre unterschiedliche Verteilung.
• 2. Fluoreszenzmikroskopie und FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching): Diese Technik ermöglichte es Wissenschaftlern, die Bewegung und Verteilung von Membranlipiden und -proteinen zu verfolgen. Bei FRAP wird ein Bereich der Membran mit einem Laser gebleicht, und die Zeit, die benötigt wird, bis die Fluoreszenz in diesem Bereich wiederhergestellt ist, wird gemessen. Dies bewies die laterale Diffusion und Mobilität der Lipide und Proteine innerhalb der Membran.
• 3. Freeze-Fracture-Technik: Diese Technik beinhaltet das Einfrieren und Aufbrechen der Zellmembran, gefolgt von der Untersuchung der brüchigen Oberflächen unter dem Elektronenmikroskop. Sie zeigte Verteilungsunregelmäßigkeiten und die Mosaikverteilung der Membranproteine.
• 4. Verwendung von Enzymen: Versuche mit enzymatischer Spaltung von Membranproteinen und -lipiden halfen dabei, die asymmetrische Verteilung dieser Moleküle zwischen der inneren und äußeren Schicht der Membran zu bestätigen.
• 5. Röntgenkristallographie und NMR-Spektroskopie: Diese Techniken trugen zur Aufklärung der spezifischen Struktur vieler integrierter Membranproteine bei und zeigten ihre Positionen und Bewegungen in der Membran.
• 6. Modellmembransysteme: Experimente mit künstlichen Lipidbilayern, Liposomen und Membranproteinen ermöglichten die Untersuchung ihrer Eigenschaften und ihres Verhaltens unabhängig von der komplexen Zellumgebung.
• Zusammenfassung: Die Kombination dieser experimentellen Befunde und fortschrittlichen Techniken führte zur Etablierung des Fluid-Mosaik-Modells. Dieses Modell betont die Flexibilität und Mobilität der Zellmembran, mit einer flüssigen Lipiddoppelschicht, in die unterschiedlich bewegliche Proteine und andere Biomoleküle eingebettet sind.

Aufgabe 2)

Stoffwechselwege und energetische Grundlagen

In dieser Aufgabe wirst Du verschiedene Aspekte des zellulären Energiestoffwechsels untersuchen, darunter Glykolyse, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung und Photosynthese. Du wirst gebeten, chemische Gleichungen zu analysieren, energetische Berechnungen durchzuführen und die Rolle von Redoxreaktionen und freier Energie in biochemischen Prozessen zu bewerten.

a)

1. Glykolyse und ATP-Bilanz: Beschreibe die Schritte der Glykolyse und stelle die Gesamtgleichung der Glykolyse auf. Berechne den Nettogewinn an ATP-Molekülen pro Molekül Glukose, das durch die Glykolyse abgebaut wird.

• Hinweis: Berücksichtige Investitions- und Ertragsphasen.

Lösung:

1. Glykolyse und ATP-Bilanz:

Die Glykolyse ist der erste Schritt im zellulären Energiestoffwechsel und beinhaltet den Abbau von Glukose zu Pyruvat. Sie findet im Zytoplasma der Zelle statt und verläuft in zehn enzymatisch katalysierten Schritten.

• Schritte der Glykolyse:

1. Hexokinase: Glukose wird zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert (Verbrauch von 1 ATP).
2. Phosphoglucose-Isomerase: Glukose-6-phosphat wird zu Fruktose-6-phosphat umgewandelt.
3. Phosphofruktokinase-1: Fruktose-6-phosphat wird zu Fruktose-1,6-bisphosphat phosphoryliert (Verbrauch von 1 ATP).
4. Aldolase: Fruktose-1,6-bisphosphat wird in Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat gespalten.
5. Triosephosphat-Isomerase: Dihydroxyacetonphosphat wird zu Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt.
6. Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase: Glycerinaldehyd-3-phosphat wird zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert (Produktion von 2 NADH).
7. Phosphoglycerat-Kinase: 1,3-Bisphosphoglycerat wird zu 3-Phosphoglycerat umgewandelt (Produktion von 2 ATP).
8. Phosphoglycerat-Mutase: 3-Phosphoglycerat wird zu 2-Phosphoglycerat umgewandelt.
9. Enolase: 2-Phosphoglycerat wird zu Phosphoenolpyruvat umgewandelt.
10. Pyruvatkinase: Phosphoenolpyruvat wird zu Pyruvat umgewandelt (Produktion von 2 ATP).

• Gesamtgleichung der Glykolyse:

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i → 2 C₃H₄O₃ + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O

• Nettogewinn an ATP:

In der Glykolyse wird ein Molekül Glukose zu zwei Molekülen Pyruvat abgebaut. Die Glykolyse kann in zwei Phasen unterteilt werden: die Investitionsphase und die Ertragsphase:

• Investitionsphase: Es werden 2 ATP-Moleküle verbraucht (Schritt 1 und Schritt 3).
• Ertragsphase: Es werden 4 ATP-Moleküle produziert (Schritt 7 und Schritt 10).

Der Nettogewinn an ATP beträgt somit:

Netto ATP-Gewinn = ATP-Ertrag - ATP-Investition

Netto ATP-Gewinn = 4 ATP - 2 ATP = 2 ATP-Moleküle pro Molekül Glukose

b)

2. Citratzyklus und Energieträger: Erläutere die Hauptschritte des Citratzyklus und nenne die Moleküle, die als energiereiche Verbindungen (NADH, FADH₂, GTP) aus diesem Zyklus hervorgehen. Wie viele Moleküle jedes dieser Energieträger werden pro Umdrehung des Citratzyklus erzeugt?

• Zusatz: Berechne die theoretische ATP-Ausbeute pro Molekül Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eintritt, unter Berücksichtigung der nachfolgenden oxidativen Phosphorylierung.

Lösung:

2. Citratzyklus und Energieträger:

Der Citratzyklus, auch Krebs-Zyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt, ist ein zentraler Teil des zellulären Stoffwechsels, der in den Mitochondrien stattfindet. Er oxidiert Acetyl-CoA zu CO₂ und produziert dabei energiereiche Verbindungen.

• Hauptschritte des Citratzyklus:

1. Citrat-Synthase: Acetyl-CoA reagiert mit Oxalacetat zu Citrat.
2. Aconitase: Citrat wird zu Isocitrat umgewandelt.
3. Isocitrat-Dehydrogenase: Isocitrat wird zu α-Ketoglutarat decarboxyliert (Produktion von 1 NADH und 1 CO₂).
4. α-Ketoglutarat-Dehydrogenase: α-Ketoglutarat wird zu Succinyl-CoA decarboxyliert (Produktion von 1 NADH und 1 CO₂).
5. Succinyl-CoA-Synthetase: Succinyl-CoA wird zu Succinat umgewandelt (Produktion von 1 GTP).
6. Succinat-Dehydrogenase: Succinat wird zu Fumarat oxidiert (Produktion von 1 FADH₂).
7. Fumarase: Fumarat wird zu Malat hydratisiert.
8. Malat-Dehydrogenase: Malat wird zu Oxalacetat oxidiert (Produktion von 1 NADH).

• Energieträger-Moleküle pro Umdrehung des Citratzyklus:

Pro Umdrehung des Citratzyklus werden die folgenden energiereichen Verbindungen erzeugt:

• 3 NADH
• 1 FADH₂
• 1 GTP (das äquivalent zu ATP ist)

• Theoretische ATP-Ausbeute pro Molekül Acetyl-CoA:

Um die theoretische ATP-Ausbeute zu berechnen, müssen wir die nachfolgende oxidative Phosphorylierung berücksichtigen, bei der NADH und FADH₂ in ATP umgewandelt werden:

• 1 NADH führt zur Produktion von ungefähr 2,5 ATP-Molekülen.
• 1 FADH₂ führt zur Produktion von ungefähr 1,5 ATP-Molekülen.
• 1 GTP entspricht 1 ATP.

Die theoretische ATP-Ausbeute pro Molekül Acetyl-CoA beträgt somit:

• 3 NADH × 2,5 ATP/NADH = 7,5 ATP
• 1 FADH₂ × 1,5 ATP/FADH₂ = 1,5 ATP
• 1 GTP = 1 ATP

Insgesamt: 7,5 ATP + 1,5 ATP + 1 ATP = 10 ATP pro Molekül Acetyl-CoA

c)

3. Oxidative Phosphorylierung und Elektronentransportkette: Beschreibe, wie NADH und FADH₂ in der Elektronentransportkette zur ATP-Synthese genutzt werden. Erläutere den Mechanismus der protonenmotorischen Kraft und ihre Rolle in diesem Prozess.

• Frage: Wieso ist die ATP-Ausbeute pro NADH-Molekül höher als pro FADH₂?

Lösung:

3. Oxidative Phosphorylierung und Elektronentransportkette:

Die oxidative Phosphorylierung ist der Prozess, bei dem die Energie von NADH und FADH₂ genutzt wird, um ATP zu synthetisieren. Dies geschieht in den Mitochondrien, genauer gesagt an der inneren Mitochondrienmembran, durch die Elektronentransportkette (ETC).

• Elektronentransportkette (ETC):

NADH und FADH₂ sind die Hauptlieferanten von Elektronen für die ETC:

1. Komplex I (NADH-Dehydrogenase): NADH überträgt seine Elektronen auf Komplex I, wodurch NAD⁺ regeneriert wird. Die Elektronen werden dann von Komplex I auf Ubichinon (Coenzym Q) übertragen. Dabei werden Protonen (H⁺) in den Intermembranraum gepumpt.
2. Komplex II (Succinat-Dehydrogenase): FADH₂ überträgt seine Elektronen direkt auf Komplex II, ohne Protonen in den Intermembranraum zu pumpen. Die Elektronen werden dann ebenfalls auf Ubichinon übertragen.
3. Komplex III (Cytochrom-bc1-Komplex): Ubichinon transportiert die Elektronen zu Komplex III, wo sie weiter auf Cytochrom c übertragen werden. Auch hier werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt.
4. Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase): Cytochrom c überträgt die Elektronen auf Komplex IV, der die Elektronen schließlich auf molekularen Sauerstoff (O₂) überträgt, um Wasser (H₂O) zu bilden. Protonen werden nochmals in den Intermembranraum gepumpt.

Durch diesen Elektronentransport wird ein Protonengradient über die innere Mitochondrienmembran aufgebaut.

• Protonenmotorische Kraft (PMF):

Die protonenmotorische Kraft ist das Ergebnis des Protonengradienten, der durch die ETC erzeugt wird. Sie hat zwei Komponenten:

• Elektrischer Gradient: Unterschied der elektrischen Ladung über die Membran.
• Chemischer Gradient: Unterschied der Protonenkonzentration (pH-Gradient) über die Membran.

Diese Kräfte treiben die ATP-Synthase an, die Protonen zurück in die Mitochondrienmatrix transportiert. Dabei nutzt die ATP-Synthase die Energie des Protonenflusses, um aus ADP und P_i ATP zu synthetisieren.

• Frage: Wieso ist die ATP-Ausbeute pro NADH-Molekül höher als pro FADH₂?

NADH hat eine höhere ATP-Ausbeute als FADH₂, weil es seine Elektronen an Komplex I übergibt, wodurch mehr Protonen in den Intermembranraum gepumpt werden. FADH₂ gibt seine Elektronen an Komplex II ab, der keine Protonen pumpt. Daher erzeugt NADH bei der oxidativen Phosphorylierung mehr protonenmotorische Kraft und damit mehr ATP:

• NADH: Führt zur Pumpung von Protonen an Komplex I, III und IV → ca. 2,5 ATP pro NADH.
• FADH₂: Führt zur Pumpung von Protonen an Komplex III und IV (selbst nicht an Komplex II) → ca. 1,5 ATP pro FADH₂.

d)

4. Energiefluss in der Photosynthese: Erkläre die beiden Hauptphasen der Photosynthese: die Lichtreaktionen und der Calvin-Zyklus. Wie wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt, und welche Rolle spielen ATP und NADPH im Calvin-Zyklus?

• Mathematische Komponente: Berechne die Anzahl der ATP- und NADPH-Moleküle, die benötigt werden, um ein Molekül Glukose im Calvin-Zyklus zu synthetisieren.

Lösung:

4. Energiefluss in der Photosynthese:

Die Photosynthese besteht aus zwei Hauptphasen: den Lichtreaktionen und dem Calvin-Zyklus. Beide Phasen finden in den Chloroplasten der Pflanzenzellen statt:

• Lichtreaktionen:

Die Lichtreaktionen finden in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt und umfassen die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie in Form von ATP und NADPH. Der Prozess läuft wie folgt ab:

1. Chlorophyll in den Photosystemen II und I absorbiert Lichtenergie und erzeugt angeregte Elektronen.
2. Die angeregten Elektronen werden durch eine Elektronentransportkette zwischen den Photosystemen bewegt, was zur Bildung eines Protonengradienten über die Thylakoidmembran führt.
3. Dieser Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, um ATP zu produzieren.
4. Die Elektronen, die durch die Elektronentransportkette bewegt werden, reduzieren schließlich NADP⁺ zu NADPH.

Die Gesamtgleichung der Lichtreaktionen lautet:

2 H₂O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 P_i + Lichtenergie → 2 NADPH + 2 H⁺ + 3 ATP + O₂

• Calvin-Zyklus:

Der Calvin-Zyklus findet im Stroma der Chloroplasten statt und nutzt die chemische Energie aus ATP und NADPH, um CO₂ in Glukose umzuwandeln. Der Zyklus besteht aus drei Hauptphasen:

1. Fixierung: CO₂ wird durch das Enzym RubisCO an Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden, wodurch zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat entstehen.
2. Reduktion: Die 3-Phosphoglycerat-Moleküle werden durch ATP phosphoryliert und durch NADPH reduziert, wodurch Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) entsteht. Ein Teil des G3P wird zur Synthese von Glukose verwendet.
3. Regeneration: Die verbleibenden G3P-Moleküle werden genutzt, um Ribulose-1,5-bisphosphat unter Verbrauch von ATP zu regenerieren, damit der Zyklus erneut beginnen kann.

Die Gesamtgleichung des Calvin-Zyklus für die Synthese eines Glukosemoleküls lautet:

6 CO₂ + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 18 ADP + 18 P_i + 12 NADP⁺ + 6 H₂O

• Mathematische Komponente:

Um die Anzahl der ATP- und NADPH-Moleküle zu berechnen, die benötigt werden, um ein Molekül Glukose im Calvin-Zyklus zu synthetisieren, betrachten wir die obige Gleichung:

• Pro Molekül Glukose (C₆H₁₂O₆) werden 18 ATP und 12 NADPH benötigt.

Daher lautet die Antwort:

Es werden 18 ATP- und 12 NADPH-Moleküle benötigt, um ein Molekül Glukose im Calvin-Zyklus zu synthetisieren.

Aufgabe 3)

Betrachtest Du die Prozesse der DNA-Replikation und der Transkription, stellst Du fest, dass beide essenziell für das Zellwachstum und die Proteinbiosynthese sind. Bei der DNA-Replikation wird die DNA vor der Zellteilung kopiert, während bei der Transkription die DNA in mRNA umgeschrieben wird. Die Replikation erfolgt semikonservativ, wobei die Doppelhelix der DNA entwunden wird, die Primase einen Primer erzeugt und die DNA-Polymerase einen neuen Strang synthetisiert. Der Leitstrang wird kontinuierlich in Richtung 5' zu 3' synthetisiert, während der Folgestrang diskontinuierlich in Form von Okazaki-Fragmenten gebildet wird. Die Transkription beginnt mit der Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor der DNA, gefolgt von der Synthese der mRNA anhand des Matrizenstrangs (template strand). Die mRNA wird prozessiert (Capping, Polyadenylierung, Spleißen), bevor sie aus dem Zellkern exportiert wird.

a)

(a) Beschreibe den Mechanismus der semikonservativen DNA-Replikation und erkläre, warum dieser Mechanismus evolutionäre Vorteile bieten könnte. Diskutiere außerdem den Unterschied in der Synthese von Leit- und Folgestrang und wie dies durch die enzymatische Aktivität der DNA-Polymerase beeinflusst wird.

Lösung:

(a) Der Mechanismus der semikonservativen DNA-Replikation beschreibt, wie die DNA vor der Zellteilung kopiert wird. In diesem Prozess wird die Doppelhelix der DNA in zwei Einzelstränge aufgetrennt, und jeder dieser Stränge dient als Vorlage für die Synthese eines neuen komplementären Strangs. Dadurch entstehen zwei DNA-Moleküle, die jeweils einen alten (originalen) und einen neuen Strang enthalten. Dies bezeichnet man als semikonservativ, weil jeder Tochterstrang zur Hälfte aus dem ursprünglichen und zur Hälfte aus neu synthetisiertem Material besteht.

• Mechanismus der semikonservativen DNA-Replikation:
• 1. Entwindung der Doppelhelix: Das Enzym Helicase trennt die beiden DNA-Stränge, indem es die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren auflöst.
• 2. Primer Synthese: Die Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dienen.
• 3. Strangsynthese: Die DNA-Polymerase bindet an die Primer und beginnt, neue DNA-Stränge zu synthetisieren, indem sie Nukleotide, komplementär zu den Matrizensträngen, hinzufügt. Die DNA-Synthese erfolgt immer in 5'-zu-3'-Richtung.
• 4. Leitstrang (leading strand): Dieser wird kontinuierlich in Richtung der Öffnung der Replikationsgabel (5' zu 3') synthetisiert.
• 5. Folgestrang (lagging strand): Da die DNA-Polymerase nur in 5'-zu-3'-Richtung arbeiten kann, wird dieser diskontinuierlich in kleinen Abschnitten (Okazaki-Fragmente) synthetisiert. Diese Fragmente werden später durch die DNA-Ligase verbunden.
• Evolutionäre Vorteile:
• 1. Fehlerkorrektur: Der semikonservative Mechanismus ermöglicht eine einfache Überprüfung und Korrektur von Fehlern, wodurch die Genauigkeit der DNA-Replikation erhöht wird.
• 2. Genetische Stabilität: Durch die Erhaltung eines alten Strangs in jeder neuen Doppelhelix bleibt die genetische Information stabil und wird zuverlässig an die Tochterzellen weitergegeben.
• Unterschied in der Synthese von Leit- und Folgestrang:
• 1. Leitstrang: Dieser wird kontinuierlich synthetisiert, was bedeutet, dass die DNA-Polymerase ohne Unterbrechung Nukleotide in 5'-zu-3'-Richtung hinzufügen kann.
• 2. Folgestrang: Dieser wird diskontinuierlich in Form von Okazaki-Fragmenten synthetisiert. Diese Fragmente werden durch die DNA-Polymerase gebildet, indem sie kleine Abschnitte in 5'-zu-3'-Richtung synthetisiert und dann zu einem vollständigen Strang verbunden werden.
• Enzymatische Aktivität der DNA-Polymerase:
• 1. 5'-zu-3'-Synthese: Die DNA-Polymerase kann nur Nukleotide in 5'-zu-3'-Richtung hinzufügen, was eine kontinuierliche Synthese des Leitstrangs und eine diskontinuierliche Synthese des Folgestrangs erfordert.
• 2. Korrekturmechanismus: Die DNA-Polymerase hat eine proofreading-Funktion, die es ihr ermöglicht, Fehler während der DNA-Synthese zu erkennen und zu korrigieren, was die Genauigkeit der Replikation erhöht.

b)

(b) Bei der Transkription wird DNA in mRNA umgeschrieben. Erläutere die einzelnen Schritte der Transkription, beginnend mit der Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor, und erörtere die Bedeutung der Prozessierung der mRNA. Berechne, welche Nukleotidabfolge in der mRNA resultiert, wenn die folgende DNA-Sequenz als Matrizenstrang verwendet wird: 5'-AGTTCGACGAAT-3'.

Lösung:

(b) Bei der Transkription wird die DNA in mRNA umgeschrieben. Dieser Prozess besteht aus mehreren wichtigen Schritten:

• 1. Initiation - Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor der DNA, eine spezifische Nukleotidsequenz, die vor dem Zielgen liegt. Dies ermöglicht der Polymerase, die DNA-Doppelhelix zu entwinden und den Matrizenstrang (template strand) zu exponieren.
• 2. Elongation - Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang des Matrizenstrangs in 3'-zu-5'-Richtung und synthetisiert dabei eine komplementäre mRNA-Kette in 5'-zu-3'-Richtung. Die Nukleotide der mRNA sind komplementär zu denen des Matrizenstrangs, wobei Adenin (A) durch Uracil (U) ersetzt wird (da RNA das Nukleotid Thymin (T) nicht enthält).
• 3. Termination - Wenn die RNA-Polymerase auf eine Terminationssequenz in der DNA trifft, löst sie sich von der DNA und die frisch synthetisierte mRNA wird freigesetzt.

Bedeutung der mRNA-Prozessierung: Nach der Transkription wird die prä-mRNA in mehreren Schritten modifiziert, bevor sie als reife mRNA aus dem Zellkern exportiert wird:

• Capping - Ein modifiziertes Guanin-Nukleotid wird am 5'-Ende der mRNA angehängt, um sie vor Abbau zu schützen und die Bindung an das Ribosom zu fördern.
• Polyadenylierung - Eine Kette von Adenin-Nukleotiden (Poly-A-Schwanz) wird am 3'-Ende hinzugefügt, um die Stabilität der mRNA zu erhöhen und deren Transport aus dem Zellkern zu erleichtern.
• Spleißen - Introns (nicht kodierende Sequenzen) werden aus der prä-mRNA entfernt und die verbleibenden Exons (kodierende Sequenzen) werden verbunden, um eine kontinuierliche kodierende Sequenz zu bilden.

Diese Prozessierungsschritte sind entscheidend, da sie die Stabilität, Transport und Translationsfähigkeit der mRNA beeinflussen.

Bestimmung der Nukleotidabfolge in der mRNA:

Um die Nukleotidsequenz der mRNA zu ermitteln, die von der DNA-Sequenz 5'-AGTTCGACGAAT-3' transkribiert wird, müssen wir zuerst die komplementäre DNA-Sequenz des Matrizenstrangs bestimmen:

• Matrizenstrang: 5'-AGTTCGACGAAT-3'
• Komplementärstrang (codogener Strang, der als Vorlage dient): 3'-TCAAGCTGCTTA-5'

Da die Transkription die mRNA in 5'-zu-3'-Richtung synthetisiert, erhalten wir die mRNA-Sequenz, indem wir komplementäre RNA-Nukleotide zum Matrizenstrang hinzufügen:

• DNA Matrizenstrang: 5'-AGTTCGACGAAT-3'
• mRNA Strang: 3'-UCAAGCUGCUUA-5' (komplementär zum Matrizenstrang)

Es ist besonders wichtig zu beachten, dass in der RNA Uracil (U) statt Thymin (T) vorkommt.

Aufgabe 4)

Signaltransduktion ist der Prozess, bei dem ein extrazelluläres Signal in eine zelluläre Antwort umgesetzt wird. Wichtige Schritte dieses Prozesses umfassen die Erkennung, Übertragung, Amplifikation und Antwort. Zu den relevanten Rezeptoren gehören G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), Tyrosin-Kinasen und Ionenkanäle. Second Messenger wie cAMP, Ca²⁺ und IP₃ spielen eine wesentliche Rolle in der Signalübertragung. Signaltransduktionskaskaden wie Phosphorylierungskaskaden und MAPK-Kaskaden sind ebenfalls von bedeutender Wichtigkeit. Ein Beispiel für Signaltransduktion ist die Bindung von Adrenalin an GPCRs, die Aktivierung von Adenylatzyklase, eine Erhöhung von cAMP, die Aktivierung von PKA und letztendlich die Glykogenolyse.

a)

(a) Beschreibe den Mechanismus, durch den ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) nach der Bindung eines Liganden ein Signal in der Zelle weiterleitet. Erwähne alle wichtigen molekularen Schritte und Komponenten, die an diesem Prozess beteiligt sind.

Lösung:

• Ligandenbindung: Ein spezifischer Ligand (z.B. ein Hormon oder Neurotransmitter) bindet an den extrazellulären Teil des G-Protein-gekoppelten Rezeptors (GPCR) und aktiviert diesen.
• Konformationsänderung des GPCR: Die Bindung des Liganden induziert eine Konformationsänderung im GPCR, die es dem Rezeptor ermöglicht, mit einem nahegelegenen G-Protein zu interagieren.
• Aktivierung des G-Proteins: Der aktivierte GPCR agiert als Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor (GEF) für das G-Protein, welches aus drei Untereinheiten besteht: α, β und γ. Das G-Protein bindet GDP (Guanosin-Diphosphat) an der α-Untereinheit im inaktiven Zustand. Durch die Interaktion mit dem aktivierten GPCR tauscht das G-Protein GDP gegen GTP (Guanosin-Triphosphat) aus und wird somit aktiviert.
• Dissoziation des G-Proteins: Nach der GTP-Bindung dissoziiert das G-Protein in die Gα-GTP Untereinheit und den Gβγ-Dimer. Beide Teile können als separate Signalmoleküle fungieren und verschiedene Effektoren in der Zelle aktivieren bzw. modulieren.
• Aktivierung von Effektoren: Die Gα-GTP Untereinheit und/oder der Gβγ-Dimer interagieren mit verschiedenen Zielproteinen oder Effektoren, wie z.B. Adenylatzyklase, Phospholipase C oder Ionenkanälen. Dies führt zur Produktion von Second Messengers oder direkten Änderungen in der Zellaktivität.
• Produktion von Second Messengers: Ein Beispiel ist die Adenylatzyklase, die durch Gα-GTP aktiviert wird und ATP in cAMP umwandelt. cAMP fungiert als Second Messenger und aktiviert Protein Kinase A (PKA).
• Signalweiterleitung: Die Second Messenger lösen weitere zelluläre Reaktionen und Signaltransduktionskaskaden aus, wie z.B. die Phosphorylierung von Zielproteinen durch PKA oder die Freisetzung von Calciumionen durch IP₃.
• Signalabschaltung: Das Signal wird abgeschaltet, wenn die GTPase-Aktivität der Gα-Untereinheit das GTP zu GDP hydrolysiert, was zur Reassoziation des G-Proteins (Gα-GDP mit Gβγ) und Abbruch der Signalweiterleitung führt. Das System kehrt in den Ruhezustand zurück und ist bereit für einen neuen Zyklus der Signaltransduktion.

b)

(b) Die Produktion von cAMP ist ein entscheidender Schritt in vielen Signaltransduktionswegen. Leite die mathematische Beziehung her, die die Aktivierung von Adenylatzyklase und die Produktion von cAMP beschreibt, wenn 1:1-Stöchiometrie zwischen dem aktivierten GPCR und Adenylatzyklase angenommen wird. Berechne die erwartete cAMP-Konzentration nach einer Minute, wenn die Anfangskonzentration von aktivierten GPCR 0,1 µM und die Aktivitätsrate der Adenylatzyklase 10 µM/min beträgt.

Lösung:

Um die mathematische Beziehung zwischen der Aktivierung von Adenylatzyklase und der Produktion von cAMP herzustellen, nehmen wir eine 1:1-Stöchiometrie zwischen dem aktivierten GPCR und der Adenylatzyklase an. Dies bedeutet, dass jedes aktivierte GPCR-Molekül eine Adenylatzyklase aktiviert, die dann cAMP produziert.

Gegeben sind:

• Anfangskonzentration von aktivierten GPCRs (\text{GPCR}_{aktiv}): 0,1 µM
• Aktivitätsrate der Adenylatzyklase (\text{Rate}): 10 µM/min

Da cAMP in einer 1:1-Relation zur Konzentration der aktivierten GPCRs proportional produziert wird, ergibt sich die Produktionsrate von cAMP wie folgt:

\[\text{Rate}_{cAMP} = \text{Rate} \times \text{GPCR}_{aktiv}\]

Setzen wir die gegebenen Werte ein:

\[\text{Rate}_{cAMP} = 10 \frac{µM}{min} \times 0,1 \text{µM} = 1 \frac{µM}{min}\]

Nun berechnen wir die Konzentration von cAMP (cAMP(t)) nach einer Minute:

\[\text{cAMP}(t) = \text{Rate}_{cAMP} \times t\]

Für t = 1 Minute:

\[\text{cAMP}(1 \text{min}) = 1 \frac{µM}{min} \times 1 \text{min} = 1 \text{µM}\]

Die erwartete cAMP-Konzentration nach einer Minute beträgt somit 1 µM.

c)

(c) Diskutiere die Rolle von Phosphorylierungskaskaden in der Signaltransduktion. Erkläre anhand eines Beispiels, wie solche Kaskaden die Amplifikation des Signals ermöglichen. Wie würde eine Mutation in einer Kinase, die eine übermäßige Aktivität verursacht, diese Signaltransduktion beeinflussen?

Lösung:

Rolle von Phosphorylierungskaskaden in der Signaltransduktion:

Phosphorylierungskaskaden spielen eine entscheidende Rolle in der Signaltransduktion, indem sie Signale innerhalb der Zelle weiterleiten und verstärken. In einer solchen Kaskade wird eine Reihe von Proteinkinasen durch Phosphorylierung aktiviert, die jeweils die nächste Kinase in der Kette phosphorylieren und aktivieren. Dies führt zu einer sequenziellen und oft exponentiellen Aktivierung von Enzymen, die schließlich eine zelluläre Antwort hervorrufen.

Ein typisches Beispiel für eine Phosphorylierungskaskade ist die Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK)-Kaskade:

Beispiel: MAPK-Kaskade

• Ein extrazellulärer Wachstumsfaktor bindet an einen Rezeptor-Tyrosinkinase (RTK).
• Die Bindung führt zur Dimerisierung und Autophosphorylierung des RTK, was zur Rekrutierung und Aktivierung von Adapterproteinen und Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren (GEFs) führt.
• GEFs aktivieren RAS, ein kleines G-Protein, durch Austausch von GDP zu GTP.
• Aktiviertes RAS aktiviert RAF, eine MAP-Kinase-Kinase-Kinase (MAPKKK).
• RAF phosphoryliert und aktiviert MEK, eine MAP-Kinase-Kinase (MAPKK).
• MEK phosphoryliert und aktiviert ERK, eine MAP-Kinase (MAPK).
• Aktiviertes ERK transloziert in den Zellkern und phosphoryliert verschiedene Transkriptionsfaktoren, die die Expression von Genen regulieren, die für Zellwachstum und -differenzierung wichtig sind.

Durch diese sequenzielle Phosphorylierungskaskade kann das ursprüngliche Signal stark verstärkt werden. Ein einzelnes aktiviertes Wachstumsfaktormolekül kann zur Aktivierung vieler ERK-Moleküle führen, da jede Stufe der Kaskade das Signal amplifiziert.

Auswirkung einer Mutation in einer Kinase:

Eine Mutation in einer Kinase, die zu übermäßiger Aktivität führt, kann die Signaltransduktion erheblich beeinflussen. In einer Phosphorylierungskaskade würden folgende Auswirkungen zu erwarten sein:

• Übermäßige Aktivierung nachfolgender Kinase-Schritte: Eine hyperaktive Kinase kann kontinuierlich die nachfolgenden Kinasen phosphorylieren und aktivieren, auch in Abwesenheit eines externen Signals.
• Dauerhafte Signalausgabe: Die verstärkte Aktivierung der nachfolgenden Kinase und die daraus resultierende verstärkte Zelluläre Antwort könnten zu unkontrolliertem Zellwachstum und -teilung führen und eventuell zu Krebs beitragen.
• Verlust der Signalregulation: Die präzise Regulation und Feinabstimmung der Signalwege, die für die korrekte Zellantwort notwendig sind, könnten verloren gehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Phosphorylierungskaskaden eine Amplifikation des Signals ermöglichen und eine Mutation in einer Kinase, die zu übermäßiger Aktivität führt, die Signaltransduktion übermäßig aktivieren und zu dysregulierten Zellprozessen führen könnte.